О методе оценки распределения пластической деформации в области вершины усталостной трещины на основе решения задачи линейной теории упругости

Автор: Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю., Пантелеев И.А., Плехов О.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 6, 2023 года.

Бесплатный доступ

Проведено экспериментальное исследование полей деформации в вершине усталостных трещин. Измерение полей деформации проводилось при помощи оптической камеры с использованием метода корреляции цифровых изображений. Запись изображений производилась оптической камерой Basler acA2440-75uc c объективом TC23007 OptoEngineering для достижения пространственного разрешения не менее 3 мкм. Частота записи данных составляла 100 Гц. Показана возможность использования решения линейной сингулярной задачи теории упругости для оценки распределения пластической деформации в вершине усталостной трещины. Механические испытания по одноосному циклическому деформированию с одновременной регистрацией поля деформации у вершины трещины различной длины проводились на плоских образцах из технического титана ВТ1-0 и титановых сплавов ОТ4-0 и ПТ-3В. Для локализации трещины образцы были ослаблены боковым полукруглым вырезом. Решение задачи об образце с боковой трещиной в упругой постановке осуществлялось численно в пакете конечно-элементного моделирования Comsol Myltiphysics. Особенностью работы является использование гипотезы о функциональной связи реальных деформаций с упругим решением и величиной секущего модуля материала для оценки пластической деформации в вершине трещины. Экспериментально и численно определён размер зоны интенсивных пластических деформаций в области вершины усталостной трещины при различной длине трещины. В результате сопоставления расчётных и экспериментальных данных была показана возможность использования предложенной зависимости для оценки распределения поля пластической деформации в вершине трещины. Полученные результаты позволят анализировать поля необратимой деформации в вершине трещины для смешанных форм нагружения.

Еще

Поле деформации, вершина усталостной трещины, гипотеза диксона, метод корреляции цифровых изображений

Короткий адрес: https://sciup.org/146282811

IDR: 146282811 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.6.04

Список литературы О методе оценки распределения пластической деформации в области вершины усталостной трещины на основе решения задачи линейной теории упругости

Shlyannikov V., Tumanov A. Characterization of crack tip stress fields in test specimens using mode mixity parameters // International Journal of Fracture. - 2014. - Vol. 185, no. 1-2. -P. 49-76. DOI: 10.1007/s10704-013-9898-0
Степанова Л.В., Росляков П. С. Полное асимптотическое разложение М. Уильямса у вершин двух коллинеарных трещин конечной длины в бесконечной пластине // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2015. - № 4. - С. 188-225.
Irwin G.R. Fracture, elasticity and plasticity. - Springer, Berlin, 1958. - P. 551-590.
Левин В.А., Морозов Е.М., Матвиенко Ю.Г. Избранные нелинейные задачи механики разрушения. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 408 с. EDN UGLGQP
Dixon J.R, Effect of plastic deformation on the strain distribution around cracks in sheet materials // Journal mechanical engineering science. - 1964. - Vol. 6, no. 2. - P. 132-136. DOI: 10.1243/JMES_JOUR_1964_006_022
Dixon J.R. Stress and strain distributions around cracks in sheet materials having various work-hardening characteristics // International Journal of Fracture Mechanics. - 1965. - Vol. 1, no. 3. - P. 224-244. DOI: 10.1007/BF00186858
Raju K.N. On the calculation of plastic energy dissipation rate duringstable crack growth // International Journal of Fracture Mechanics. - 1969. - Vol. 5, no. 2. - P. 101-112.
Raju K.N. An energy balance criterion for crack growth under fatigue loading from considerations of energy of plastic deformation // International Journal of Fracture Mechanics. - 1972. -Vol. 8, no. 1. - P. 1-14.
Iziumova A., Plekhov O. Calculation of the energy J-integral in plastic zone ahead of a crack tip by infrared scanning // FFEMS. -2014. - Vol. 37. - P. 1330-1337. DOI: 10.1111/ffe.12202
Ranganathan N., Chalon F., Meo S. Some aspects of the energy based approach to fatigue crack propagation Original research article // International Journal of Fatigue. - 2008. - Vol. 30, no. 10-11. - P. 1921-1929. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2008.01.010
Experimental and theoretical analysis of heat flux at fatigue crack tip under mixed mode loading / A. Vshivkov, A. Izi-umova, R. Yarullin, V. Shlyannikov, O. Plekhov // Procedia Structural Integrity. - 2019. - Vol. 18. - P. 608-615. DOI: 10.1016/j.prostr.2019.08.206
Swapnil P., Umesh C. Plastic zone analysis of SS316L and Ti6Al4V materials under mixed mode loading conditions // International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics. - 2022. - Vol. 23, no. 5. - P. 429-450. DOI: 10.1080/15502287.2021.1992542
Graba M. Characteristics of selected measures of stress triaxiality near the crack tip for 145Cr6 steel - 3D issues for stationary cracks // Open Eng. - 2020. - Vol. 10. - P. 571-585. DOI: 10.1515/eng-2020-0042
Local state of stress of the material at the crack tip for various types of loading / G.V. Klevtsov, R.Z. Valiev, N.A. Klevtsova, A.M. Glezer, I.N. Pigaleva // Russian Metallurgy (Metally). -2021. - P. 1177-1182. DOI: 10.1134/S0036029521100165
Crack tip plastic zone shape for anisotropic material subjected to mode -I loading [Электронный ресурс] / S.B. Shailendra, K. Amanpreet, P. Mahesh, S. Krishna, S. Subhalakshmi, K. Bhavesh, S. Vishal // Materials Today: Proceedings. - 2023. -DOI: 10.1016/j.matpr.2023.09.087. - URL: https://www.sciencedi-rect.com/science/article/pii/S2214785323047600 (дата обращения: 01.09.2023).
Определение параметров аварийного усталостного разрушения изделий по глубине пластических зон под поверхностью изломов / Г.В. Клевцов, Л.Р. Ботвина, Н.А. Клевцова, Р.З. Валиеев, И.Н. Пигалева // Физическая мезомеханика. - 2022. - Т. 25, № 5. -С. 5-11. DOI 10.55652/1683-805X_2022_25_5_5
Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризаци-онно-оптические методы механики деформируемого тела. -М.: Наука, 1973. - 576 с.
Carroll J.D., Abuzaid W., Lambros J. High resolution digital image correlation measurements of strain accumulation in fatigue crack growth // International Journal of Fatigue. - 2013. -Vol. 57. - P. 140-150. DOI: 10.1016/j. ijfatigue.2012.06.010
Near-tip strain evolution under cyclic loading: In situ experimental observation and numerical modelling / J. Tong, Y. Lu, K. Madi, Y.H. Tai, J.R. Yates, V. Doquet // International Journal of Fatigue. - 2015. - Vol. 71. - P. 45-52. DOI: 10.1016/j.ijfa-tigue.2014.02. 013
Investigation of fatigue crack closure using multiscale image correlation experiments / J. Carroll, C. Efstathiou, J. Lambros, H. Sehitoglu, B. Hauber, S. Spottswood, R. Chona // Engineering Fracture Mechanics. - 2009. - Vol. 76, no. 15. - P. 2384-2398. DOI: 10.1016/j.engfracmech. 2009.08.002.
Yusof F., Lopez-Crespo P., Withers P.J. Effect of overload on crack closure in thick and thin specimens via digital image correlation // International Journal of Fatigue. - 2013. - Vol. 56. -P. 17-24. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2013.07.002
Mathieu, F., Hild, F., Roux, S. Identification of a crack propagation law by digital image correlation // International Journal of Fatigue. - 2012. - Vol. 36, no. 1. - P. 146-154. DOI: 10.1016/j.ijfatigue. 2011.08.004
An approach to calculate the J-integral by digital image correlation displacement field measurement / T.H. Becker, M. Mo-stafavi, R.B. Tait, T.J. Marrow // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. - 2012. - Vol. 35, no. 10. - P. 971984. DOI: 10.1111/j.1460-2695.2012.01685.x.
J-Integral calculation by finite element processing of measured full-field surface displacements / S.M. Barhli, M. Mostafavi, A.F. Cinar, D. Hollis, T.J. Marrow // Experimental Mechanics. - 2017. -Vol. 57, no. 6. - P. 997-1009. DOI: 10.1007/s11340- 017-0275-1
A J-integral approach using digital image correlation for evaluating stress intensity factors in fatigue cracks with closure effects / G.L.G. Gonzáles, J.A.O. González, J.T.P. Castro, J.L.F. Freire // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2017. - Vol. 90. - P. 14-21. DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.02.008
Yoneyama S., Morimoto Y., Takashi M. Automatic evaluation of mixed-mode stress intensity factors utilizing digital image correlation // Strain. - 2006. - Vol. 42, no. 1. - P. 21-29. DOI: 10.1111/j.1475-1305.2006.00246.x
Lorenzino P., Beretta G., Navarro A. Application of digital image correlation (DIC) in resonance machines for measuring fatigue crack growth // Fracture and Structural Integrity. - 2014. -Vol. 30. - P. 369-374. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.30.44
Zhang R., He L. Measurement of mixed-mode stress intensity factors using digital image correlation method // Optics and Lasers in Engineering. - 2012. - Vol. 50, no. 7. - P. 1001-1007. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2012.01.009
Развитие метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения конструкционных материалов / П.С. Любутин, С.В. Панин, В.В. Титков, А.В. Еремин, Р. Сундер // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 1. - С. 87-107. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.08
Разрушение стали 30ХГСА в условиях смешанных мод нагружения / Л.Р. Ботвина, Е.Н. Белецкий, М.Р. Тютин, Ю.А. Демина, И.О. Синев, А.И. Болотников // Физическая ме-зомеханика. - 2023. - Т. 26, № 2. - С. 30-42. DOI 10.55652/1683-805X_2023_26_2_30
Исследование кинетики разрушения сплава Д16ч методами акустической эмиссии, корреляции цифровых изображений и изучения реальной поврежденности / Л.Р. Ботвина, А.И. Болотников, И.О. Синев, М.Р. Тютин, Е.Н. Белецкий // Металлы. - 2022. - № 4. - С. 15-23.

Еще

Статья научная